KR101580326B1 - 전력반도체 모듈 - Google Patents

전력반도체 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기판(12), 패키지(14) 및 브릿지요소(16)를 갖는 전력반도체 모듈(10)을 설명한다. 패키지(14)는 냉각부품에 고정될 수 있다. 브릿지요소(16)는 패키지 내에 배치되어 가압요소(32)에 의해 기판(12)을 가압한다. 또한, 브릿지요소(16)는 기판(12) 상의 인터커넥트(20)에 대하여 부하접속요소(38)를 위치조정하기 위한 목적으로 마련된다. 현저한 유전강도 또는 파괴강도를 확보하기 위해, 기판(12) 및 브릿지요소(16)는 모든 횡방향으로의 움직임이 제한되어 패키지(14) 내에 배치된 유니트(26)를 구성한다.
전력반도체 모듈, 기판, 패키지, 브릿지요소, 인터커넥트

Description

전력반도체 모듈{Power semiconductor module}
본 발명은 기판, 패키지 및 브릿지 요소를 갖는 전력반도체 모듈에 관한 것으로서, 상기 기판은 제 1 주면(main face)에 부하접속요소용 및 전력반도체 부품용 인터커넥트를 가지고 반대측의 제 2 주면에서는 냉각부품으로의 방열을 위해 마련된 금속층을 가지며, 상기 패키지는 냉각부품에 고정될 수 있으며, 상기 브릿지 요소는 상기 패키지 속에 배치되며 기판의 인터커넥트에 대하여 부하접속 요소의 접촉부를 위치시키도록 마련되어 가압요소에 의해 기판의 제 1 주면을 가압하도록 구성된 전력반도체에 관한 것이다.
예로서, 기판은 DCB(Direct Copper Bonding) 기판이다. 이런 전력반도체 모듈은 장시간의 사용 중에 -30℃ 내지 150℃의 온도범위에서 확실하게 동작할 필요가 있다. 이런 큰 온도범위는 결국 열팽창에 의한 대응 치수 변화로 이어진다.
서두에서 설명한 타입의 전력반도체 모듈은 예를 들어 본 출원인의 DE 10 2006 006 424 A1에 개시되어 있다. 이 공지의 전력반도체 모듈은 냉각부품 및 여기에 고정된 패키지와 이 패키지에 마련된 브릿지요소가 제 1 유니트를 구성하고, 냉각부품과 회로 및 부하접속요소에 적합한 방식으로 냉각부품에 고정된 전력반도 체 부품이 제 2 유니트를 구성한다. 이 문서화된 종래기술의 [0030]단락에 설명된 바와 같이 이들 두 가지 공지의 유니트들은 서로 기계적으로 견고한 접속을 갖지 않고 제 2 유니트가 제 1 유니트 내에서 횡방향으로 움직일 수 있다. 따라서 이 공지의 전력반도체 모듈에 있어서, 기판은 온도에 따라서 패키지에 대한 움직임이 제한될 수 있다. 기판의 외측에지와 패키지의 대응 장착에지 사이의 주변갭은 기판의 제 1 주면에 마련된 인터커넥트를 냉각부품으로부터 전기적으로 절연시키기 위해 전기적으로 절연된 매립용 수지를 포함하고 있다. 경화된 매립용 수지는 적절한 파괴강도를 확보하기 위해 높은 유전상수를 갖는다. 그러나 냉각부품에 고정된 패키지에 대한 기판의 온도에 따른 가동성 제한의 결과로서 이 공지의 전력반도체 모듈에서는 경화된 매립용 수지가 파열되는 것을 확실하게 방지할 수 있으므로 공기에 대한 적절한 유전상수(ε0)를 갖는 바람직하지 못한 공기갭이 얻어지며, 파괴강도는 경화된 매립용 수지의 유전상수(ε)의 감소에 따라 공기에 대한 유전상수(ε0)의 값까지 감소된다. 이것은 전력반도체 모듈의 수명이 덩달아서 줄어들 수 있다는 것을 의미한다.
이런 환경에 근거하여 본 발명은 단순한 설계로 높은 작동신뢰성을 갖는 서두에 설명한 타입의 전력반도체 모듈을 제공한다는 목적에 기초하는 것이다.
본 발명은 청구항 1의 특징에 의해, 즉 기판의 제 1 및 제 2 주면에 평행한 모든 횡방향으로의 움직임이 제한되어 패키지 내에 배치된 유니트를 구성하는 기판 및 브릿지요소에 의해 상기 목적을 달성한다. 기판 및 브릿지요소를 포함하는 상기 유니트는 바람직하게는 상기 횡방향에 수직한 방향으로의 움직임이 제한된다.
본 발명에 따른 전력반도체 모듈의 경우, 기판은 냉각부품에 고정될 수 있는 패키지를 갖지 않고 패키지 내에 움직임이 제한되도록 마련된 브릿지요소를 갖는 유니트를 형성한다. 기판의 주변에지와 브릿지요소의 관련 장착에지는 그 에지를 따라 마련된 전기절연 매립용 수지를 갖는데, 유니트를 구성하는 브릿지요소와 기판 사이에서의 온도에 따른 상대운동이 방지되기 때문에 경화된 매립용 수지의 파열이 확실하게 방지되며, 파괴강도를 감소시키는 공기갭이 방지된다. 따라서 본 발명에 따른 전력반도체 모듈은 단순한 설계로 장기수명에 걸쳐서 현저한 작동신뢰성을 갖는다.
본 발명에 따른 전력반도체 모듈의 경우에 브릿지요소가 주변 측벽, 가압요소 및 부하접속요소의 접촉부용 안내샤프트를 구비하는 캡형태이고 패키지가 프레임요소 및 커버요소를 갖는다면 유리하다는 것이 발견되었다. 이 경우, 브릿지요소의 측벽은 패키지의 프레임요소로부터 작은 갭만큼 이격되므로, 기판 및 브릿지요소를 포함하는 유니트 내에서 냉각부품에 고정되거나 고정된 패키지에 대하여 열팽창에 의해 야기되는 움직임이 전혀 문제없이 냉각부품에 대한 전력반도체 모듈의 파괴강도에 영향을 주지 않고 가능하게 된다.
본 발명에 따른 전력반도체 모듈에 있어서, 기판의 주변에지에 대하여 마련 되어 내측치수가 기판의 외측에지와 일치하는 주변 칼라를 구비하도록 브릿지요소의 주변 측벽이 형성된다면 바람직하다. 이 경우, 브릿지 요소의 측벽의 주변 칼라는 제 2 주면에 마련된 기판의 금속층이 주변 칼라 위로 약간 돌출하는 형태이므로, 기판의 금속층이 큰 표면적에 걸쳐서 냉각부품을 확실하게 지탱하게 된다.
전술한 브릿지요소와 패키지 사이에서의 제한된 운동을 확보하기 위해서는, 브릿지요소의 주변 측벽이 패키지의 프레임요소의 내측치수보다 약간 작은 외측치수를 갖는 것이 바람직하다.
프레임요소가 커버요소와 대면하는 면상에 부하접속요소의 접속부에 대한 절제부를 갖도록 형성되고 커버요소가 프레임요소와 대면하는 면상에 부하접속요소의 접속부에 대한 절제부를 갖도록 형성되는 것이 유리하다는 것이 발견되었다. 이런 설계로 인하여 부하접속요소가 단순하고 시간절약적인 방식으로 조립될 수 있는 이점이 생긴다. 부하접속요소의 접속부는 바람직하게는 자유롭게 접근할 수 있는 형태로 패키지의 커버요소 위로 돌출하는 접촉돌출부를 가지므로, 전력반도체 모듈의 부하접속요소가 전혀 문제가 없이 외부에서 접속될 수 있다.
본 발명에 따른 전력반도체 모듈을 냉각부품 상에 단순하고 시간절약적인 방식으로 장착할 수 있도록 하기 위해서는, 패키지의 커버요소 및 프레임요소가 냉각부품 상에 전력반도체 모듈을 장착하는데 사용할 수 있는 장착요소에 대한 축방향으로 장착공을 갖도록 형성되는 것이 유리하다는 것이 발견되었다. 예로서, 상기 장착요소는 냉각부품 상에 전력반도체 모듈을 장착하면서 동시에 기판의 제 1 주면상의 인터커넥트에 대한 브릿지요소로부터의 접촉압력과 상기 인터커넥트에 대한 부하접속요소의 접촉부로부터의 접촉압력을 발생시키는데 사용되는 나사요소이다.
또 다른 상세 사항, 특징 및 이점들은 본 발명에 따른 전력반도체 모듈의 도면에 도시한 실시예에 대한 이하의 설명에서 찾을 수 있다.
본 발명에 따른 전력반도체 모듈은 단순한 설계로 장기수명에 걸쳐서 현저한 작동신뢰성을 갖는다.
도 1은 기판(12), 패키지(14) 및 브릿지 요소(16)를 갖는 전력반도체 모듈(10)의 형태를 보여준다. 도 4에서 볼 수 있듯이, 기판(12)은 제 1 주면(18)에서 인터커넥트(20) 및 전력반도체 부품(도시하지 않음)을 가지며, 반대측의 제 2 주면(22)에서 금속층(24)을 갖는다. 금속층(24)은 냉각부품(도시하지 않음)으로의 방열을 위한 것이다.
기판(12) 및 브릿지 요소(16)는 제 1 및 제 2 주면(18, 22)에 평행한 모든 횡방향으로 패키지(14) 내에서 움직임이 제한되는 유니트(26)를 구성한다. 이 제한된 가동성은 도 4에서 이중머리 화살표(28)로 지시되어 있다. 또한, 횡방향에 대하여 수직한 방향으로 움직일 수 있다.
도 3에서 볼 수 있듯이, 브릿지요소(16)는 주변 측벽(30), 핑거형 가압요소(32) 및 안내샤프트(34)를 갖는 캡 형태이다. 안내샤프트(34)는 전력반도체 모듈(10)의 부하접속요소(38)를 구성하는 접촉부(36)를 위치조정하기 위한 목적으로 마련되어있다. 부하접속요소(38)의 접촉부(36)는 이로부터 비스듬히 돌출하는 부 하접속요소(38)의 접속부(40)를 갖는다.
전력반도체 모듈(10)의 패키지(14)는 프레임요소(42) 및 커버요소(44)를 갖는다. 커버요소(44)는 이 커버요소로부터 돌출하는 돔부(46)를 갖는데, 이 돔부는 전력반도체 모듈(10)이 조립상태에 있을 때 기판(12)에 마련된 인터커넥트(20)에 적절하게 접촉연결되는 탄력적인 제어 또는 보조접속요소(48)를 위해 마련된다.
도 4에서 명확히 볼 수 있듯이, 브릿지 요소(16)의 주변 측벽(30)은 기판(12)을 횡방향으로 위치조정하기 위한 목적으로 마련된 칼라(50)를 갖도록 만들어진다. 이를 위해, 주변 칼라(50)의 내측치수는 기판(12)의 외측에지와 일치한다.
전술하고 도 4에서 이중머리 화살표(28)로 지시한 바와 같이 브릿지요소(16)와 기판(12)을 포함하는 유니트와 패키지(14) 또는 그 프레임요소(42) 사이에서의 가동성을 확보하기 위해, 브릿지요소(16)의 주변 측벽(30)은 패키지(14)의 프레임요소(42)의 내측치수(54)보다 약간 작은 외측치수(52)를 갖는다(도 4 참조).
도 1에서 볼 수 있듯이, 예를 들어 커버요소(44)의 프레임요소(42)는 커버요소(44)와 대면하는 면(56)상에 부하접속요소(38)의 접속부(40)에 대한 절제부(58)를 갖도록 형성된다. 마찬가지로, 커버요소(44)는 패키지(14)의 프레임요소(42)와 대면하는 내측 면(60) 상에 부하접속요소(38)의 접속부(40)에 대한 오목부(62)를 갖도록 구성된다. 부하접속요소(38)의 접속부(40)는 자유롭게 접근할 수 있는 형태로 패키지(14)의 커버요소(44)의 외측에지 위로 돌출하는 접촉돌출부(64)를 갖는다.
패키지(14)의 커버요소(44) 및 프레임요소(42)는 축방향으로 장착공(66, 68)을 갖도록 형성된다. 전력반도체 모듈(10)의 조립된 상태에서, 장착공(66 또는 68)은 냉각부품 상에 전력반도체 모듈(10)을 장착하는데 사용할 수 있는 장착요소(도시하지 않음)를 고정하는데 사용된다.
도 1 내지 도 4에서 동일한 상세부는 각각 동일 참조번호로 지시하므로, 모든 상세부의 각각의 상세한 설명을 모든 도면과 관련하여 제공할 필요는 없다.
도 1은 전력반도체 모듈의 형태의 분해사시도.
도 2는 도 1에 도시한 전력반도체 모듈의 분해측면도.
도 3은 도 2에 도시한 전력반도체 모듈의 단면도.
도 4는 조립된 상태의 전력반도체 모듈의 단면도 및 그 확대상세도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 전력반도체 모듈 12 기판
14 패키지 16 브릿지 요소
18 제 1 주면 20 인터커넥트
22 제 2 주면 24 금속층
26 유니트 28 이중머리 화살표/가동성
30 주변 측벽 32 가압요소
34 안내샤프트 36 접촉부
38 부하접속요소 40 접속부
42 프레임요소 44 커버요소
46 돔부 48 제어 또는 보조접속요소
50 주변칼라 52 외측치수
54 순수 내측치수 56 면
58 절제부 60 면
62 오목부 64 접촉돌출부
66 장착공 68 장착공

Claims (8)

  1. 기판(12), 패키지(14) 및 브릿지요소(16)을 갖는 전력반도체 모듈로서,
    상기 기판(12)은 제 1 주면(18)에 부하접속요소(38)용 및 전력반도체 부품용의 인터커넥트(20)을 가지고, 반대측의 제 2 주면(22)에 냉각부품으로의 방열을 위해 마련된 금속층(24)을 가지며,
    상기 패키지(14)는 상기 냉각부품에 고정될 수 있고,
    상기 브릿지요소(16)는 상기 패키지(14) 내에 배치되고, 기판(12)상의 인터커넥트(20)에 대하여 부하접속요소(38)의 접촉부(36)를 위치조정하기 위한 목적으로 마련되며,
    상기 브릿지요소(16)는 주변 측벽(30), 가압요소(32), 및 부하접속요소(38)의 접촉부(36)용 안내샤프트(34)를 구비한 캡형태이고, 상기 패키지(14)는 프레임요소(42) 및 커버요소(44)를 구비하며, 상기 브릿지 요소(16)는 가압요소(32)로 기판(12)의 제 1 주면(18)을 가압하고,
    상기 기판(12) 및 상기 브릿지요소(16)는 기판(12)의 제 1 및 제 2 주면(18, 22)에 평행한 모든 횡방향으로의 움직임이 제한되도록 상기 패키지(14) 내에 배치되는 유니트(26)를 구성하는 것을 특징으로 하는 전력반도체 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기판(12) 및 상기 브릿지요소(16)를 포함하는 상기 유니트(26)는 상기 횡방향에 수직한 방향으로의 움직임이 제한되는 것을 특징으로 하는 전력반도체 모듈.
  3. 삭제
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 브릿지요소(16)의 주변 측벽(30)은, 기판(12)에 대하여 마련되어 내측치수가 기판(12)의 외측에지와 일치하는 주변 칼라(50)를 구비하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 전력반도체 모듈.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 브릿지요소(16)의 주변 측벽(30)은 패키지(14)의 프레임요소(42)의 내측치수(54)보다 작은 외측치수(52)를 갖는 것을 특징으로 하는 전력반도체 모듈.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 패키지(14)의 프레임요소(42)는 상기 커버요소(44)와 대면하는 면(56)상에 부하접속요소(38)의 접속부(40)에 대한 절제부(58)를 구비하도록 형성되며, 상기 패키지(14)의 커버요소(44)는 상기 프레임요소(42)와 대면하는 면(60) 상에 부하접속요소(38)의 접속부(40)에 대한 오목부(62)를 구비하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 전력반도체 모듈.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 부하접속요소(38)의 접속부(40)는 자유롭게 접근할 수 있는 형태로 패키지(14)의 커버요소(44) 위로 돌출하는 접촉돌출부(64)를 갖는 것을 특징으로 하는 전력반도체 모듈.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 패키지(14)의 커버요소(44) 및 프레임요소(42)는 냉각부품상에 전력반도체 모듈(10)을 장착하는데 사용할 수 있는 장착요소에 대한 축방향으로 장착공(66, 68)을 구비하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 전력반도체 모듈.
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